Constructions métalliques - Pathologie des structures métalliques

Une construction, quelle que soit sa destination (habitation, usage industriel, collectivité, spectacle…) et son principe constructif (matériau, type de structure), doit être capable de résister aux efforts qui lui sont appliqués. Dans le cadre du sujet du présent article, ce rôle de « résistance » est assuré par l’ossature ou structure en acier constituant le « squelette » de la construction.

L’acier utilisé en construction métallique [1] a des caractéristiques garanties. C’est un matériau isotrope et homogène ayant un comportement idéal vis-à-vis de la théorie de l’élasticité, base des lois de la résistance des matériaux. Il est ductile, propriété nécessaire à la bonne répartition des efforts dans les assemblages .

Il est soudable, sous réserve de respecter les dispositions prescrites au projet  .

C’est le matériau d’usage courant en construction qui présente les caractéristiques les plus élevées pour le poids le plus faible .

La structure assure principalement le cheminement des efforts extérieurs appliqués jusqu’aux bases solides, les fondations. La connaissance de ce cheminement est essentielle quant à l’étude des éléments constitutifs de la structure ainsi que de leurs liaisons (attaches). La structure est stable si cette transmission s’effectue sans désordre .

Les ossatures métalliques sont généralement « souples » et constituées de barres « élancées » ou d’éléments minces. Ces caractères spécifiques sont à garder présents à l’esprit lors des études, les problèmes de flexibilité, voilement, déversement de poutres fléchies et flambement d’éléments comprimés étant déterminants dans la justification et le dimensionnement des structures métalliques .

Les règles actuelles [2] permettent la justification des structures en acier par la théorie de la résistance des matériaux dans le domaine élastique avec prise en compte éventuelle d’un coefficient d’adaptation plastique. La justification des structures avec prise en compte de la plasticité, sous certaines conditions et précautions, est codifiée depuis 1981 [3] .

Les futurs règlements de calcul des structures en acier en cours de préparation [Eurocode 3, EC3-DAN (document d’application national)] codifieront d’autres méthodes de calculs (analyses non linéaires : géométrie et /ou matériau).

Le respect du domaine de validité de ces codes est essentiel et doit être vérifié à chaque projet .

Les règlements sont une partie des outils nécessaires à la bonne réalisation d’une structure . Le nombre des intervenants à la réalisation d’une construction fait que, malheureusement, des erreurs et omissions peuvent être produites et être la cause de sinistres plus ou moins graves.

Une structure peut être sinistrée :

• soit par effondrement total ou partiel sous l’effet de chargement ;

• soit par des déformations importantes rendant la structure impropre à son exploitation.

Les origines de ces sinistres sont dues principalement à :

• des erreurs de conception : 13 %, dont 3 % de structures instables ;

• des erreurs de bureau d’études : 45 % ;

• des erreurs de montage : 35 %, dont la moitié est due à des instabilités provisoires, l’autre moitié se partageant entre malfaçons et fausses manœuvres ;

• des erreurs de fabrication ;

• des défauts du matériau.

L’analyse des causes d’un sinistre doit se faire en plusieurs étapes :

• examen de la structure sinistrée, déformations, déchirures, ruptures ;

• examen des conditions et circonstances au moment du sinistre, chargement de la structure ;

• recherche des causes du sinistre faite, en général, par l’exécution d’un nouveau calcul. Il n’est pas rare que cette nouvelle analyse fasse apparaître des insuffisances n’étant pas à l’origine du sinistre et auxquelles il faut alors aussi remédier.

La qualité des études est essentielle, compte tenu du caractère « industriel » des structures métalliques dans le domaine du bâtiment. On constate qu’une des principales causes actuelles des désordres provient de la mauvaise qualité des études.

Les contrôles doivent donc intervenir le plus tôt possible, dès le stade de la conception et des études. Les origines des sinistres sont nombreuses et variées ; certaines sont répétitives et connues, d’autres plus confuses .

Un sinistre est souvent dû à plusieurs causes : charges exceptionnelles, insuffisances, et c’est leur concomitance qui le déclenche. Le risque de sinistre est donc accru par la multiplicité des erreurs commises .

L’étude et le recensement de l’origine des sinistres constituent la pathologie .

Les sinistres ont principalement pour origine :

• les erreurs matérielles au niveau des études, de la fabrication ou du montage ;

• les causes accidentelles comme les charges exceptionnelles ;

• l’ignorance au niveau du projet, de l’exécution, du montage et de l’utilisation ;

• les erreurs de conception et d’étude ;

• les facteurs externes ;

• les erreurs d’exécution ;

• les erreurs au montage ;

• la mauvaise utilisation et le défaut d’entretien ;

• des défauts du matériau.

La gravité des désordres varie, suivant les circonstances, de l’effondrement catastrophique au simple défaut d’esthétique ne présentant aucun risque. On peut distinguer :

• les instabilités d’ensemble conduisant à l’effondrement ou au renversement ;

• les instabilités propres d’éléments pouvant, par réaction en chaîne, conduire à une instabilité d’ensemble ;

• une durabilité insuffisante, corrosion, vieillissement, fatigue ;

• un comportement anormal comme les déformations excessives ou les perturbations du bien-être des usagers ;

• une atteinte à l’esthétique.

Nous allons, dans les paragraphes qui suivent, commenter les origines des désordres et les illustrer par des exemples concrets.